2022, Vol. 48 
中国地处欧亚大陆东南部，气候特征表现为显著的季风特色。秋季处于夏季风系统逐渐南撤减弱，而冬季风环流开始发展加强的过渡时期。在这一时段，亚洲大陆上空环流发生了季节性转变：东亚夏季风南撤、季风槽南移、西太平洋副热带高压(以下简称副高)东撤南退，中高纬冷空气开始活跃。这一时期我国主要降水区出现在西北地区东南部、西南地区东北部和华中地区西部，被称为华西秋雨(高由禧，1958；高由禧和郭其蕴，1958；中国气象局，2019)。秋季是农作物成熟收获以及冬季农作物播种、移栽的重要季节，这一时期的气候不仅会直接影响到当年农作物的产量，也将影响次年农作物的生长生产，因此华西秋雨等秋季天气气候现象的异常对保障国家粮食生产安全和民生民计有重大意义。做好对秋季气候异常的监测预测和诊断分析不仅有助于正确认识和把握华西秋雨等气候事件的变化规律，提高短期气候预测准确率，同时也对减轻自然灾害影响具有重要的理论指导意义和现实应用价值(白虎志和董文杰，2004；郁淑华，2004；贾小龙等，2008；薛春芳等，2012；侯威等，2015；王春学等，2015；柳龙生和高拴柱，2018)。
我国秋季降水和气温都表现出明显的年际变率(王春学等，2015；Zhi et al, 2020；杨明珠和陈丽娟，2021)。已有研究显示，秋季气候的异常往往是多因子综合作用的结果，不仅受到热带海温、西太平洋暖池热状态和青藏高原热源等下垫面因子的影响(李跃清，1994；陈少勇等，2011；顾薇等，2012；韩晋平等，2013；刘佳等，2015；Gu et al，2015；郑然等，2018)，同时也受到中高纬度大气环流等大气内部动力过程的影响(周游等，2016；Wang and Zhou, 2019)。2021年秋季，我国降水表现出“北多南少”的分布特征，华北和西北地区降水均为1961年以来历史同期最多，华西秋雨显著偏多；全国大部地区气温接近常年或偏高，南方地区高温天气明显。本文将在总结和归纳2021年秋季主要气候异常特征的基础上，重点分析和探讨造成气候异常的大气环流因子及可能的外强迫因子，为今后的气候预测和服务提供参考。
1 资料和方法本文使用由国家气象信息中心整编的1961—2021年中国地区2 400个台站的逐日气温和降水观测资料数据集。大气环流和海温资料分别使用了1961—2021年美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的2.5°×2.5°水平分辨率的环流变量要素(主要包括位势高度场、经向风场、纬向风场、相对湿度场等)的逐日/逐月再分析资料(Kalnay et al，1996)、美国国家海洋大气局(NOAA) 提供的1982—2021年逐月海表温度资料(Reynolds et al，2007)。此外，文中所用的副高指数(刘芸芸等，2012)及Niño3.4区指数(Ren et al，2018)均来自国家气候中心。文中部分图形出自国家气候中心开发的“气象灾害影响评估系统”“气候与气候变化监测系统”“大气环流交互诊断系统”。如无特别说明，文中的气候常年值为1981—2010年的平均值。
2 2021年秋季我国主要气候特征2021年秋季(9—11月)，全国平均降水量为159.7 mm，较常年同期(119.8 mm)偏多33.3%。降水量距平百分率的空间分布总体呈现“北多南少”的分布特征：华北、东北、内蒙古中东部、黄淮、江汉西部、华南中西部、西南地区东北部、西北地区大部、新疆东部和西藏西南部降水偏多2~5成，其中华北东部和南部、东北西南部、内蒙古中东部局部、黄淮大部、西南地区东北部部分地区、西北地区东部和西藏西南部偏多1倍以上，华北南部、东北南部、黄淮北部和西北地区东部局部偏多2倍以上(图 1a)。华北地区平均降水较常年同期偏多160.4%，西北地区偏多67.8%，均为1961年以来历史同期最多，东北为1961年以来次多。江淮大部、江汉东部、江南南部、华南东北部、西南地区南部及北部、新疆西部和西藏东部降水较常年同期偏少2成以上。
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图 1 2021年秋季(a)、9月1日至10月10日(b)、10月11日至11月30日(c)降水距平百分率分布 Fig. 1 Distribution of precipitation anomaly percentage over China in Autumn (a), from 1 September to 10 October (b), from 11 October to 30 November (c) in 2021 |
2021年秋季降水表现出明显的季节内变化特征。秋季前期(9月1日至10月10日)主雨带位于长江以北地区，华北大部、东北中部和南部、黄淮、江汉、西南地区东北部、西北地区东南部等地降水偏多1倍以上，上述地区在此期间共出现7次区域性暴雨过程(9月4日、9月6日、9月16—20日、9月24—26日、9月28日、10月3—7日、10月8—10日)，四川、重庆、贵州、陕西、云南等多地遭受暴雨洪涝灾害，部分河流发生超警及超历史洪水；同时期江淮、江南、华南东部、云南等地区降水明显偏少、气温偏高，出现了较明显的气象干旱和高温天气过程(图 1b)。秋季后期(10月11日至11月30日)，北方地区降水明显减弱、多雨区向北收缩至华北北部和东北地区，而江南南部、华南西部和云南南部降水也较常年同期偏多，因此南方多地的旱情和高温明显缓和(图 1c)。
根据行业标准对华西秋雨监测的定义(中国气象局，2019)，2021年华西秋雨于8月23日开始，11月8日结束，累计降水量为379.9 mm；与常年相比，开始偏早8 d，结束偏晚7 d，降水量偏多87.3%。其中华西秋雨北区(包括陕西南部大部、宁夏南部和甘肃南部)的降水异常尤为突出：秋雨开始日期为8月30日，较常年偏早9 d；结束日期为10月16日，较常年偏晚3 d；累计降水量达388.6 mm，较常年偏多近2倍，为1961年以来最多(图 2)。
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图 2 1961—2021年华西秋雨北区秋降水量距平序列 Fig. 2 Time series of anomalies of autumn rainfall in the northern part of West China during 1961-2021 |
2021年秋季，全国平均气温为10.6℃，较常年同期(9.9℃)偏高0.7℃(图 3a)。从气温距平的空间看，除新疆大部、甘肃西部和四川东北部气温较常年同期偏低0.5~1℃(新疆西北部和东南部局部可偏低1~2℃)外，全国其余地区气温以接近常年同期到偏高为主，其中东北北部和东部、内蒙古中东部、黄淮南部、江淮、江汉东部、江南大部、西南地区北部和西藏大部气温偏高1~2℃(图 3b)。南方地区共出现4次阶段性区域高温过程，平均高温日数为6.9 d，较常年偏多5.7 d，为1961年以来历史同期最多。湖南、福建、江西、广西、广东高温日数均为历史同期最多。
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图 3 1961—2021年秋季全国平均气温历年变化(a)及2021年秋季平均气温距平分布(b) Fig. 3 The autumn mean temperature in China during 1961-2021 (a) and distribution of temperature anomalies in autumn 2021 (b) |
由上述可见，2021年秋季我国气候异常最明显的特征是降水呈“北多南少”，包括华西地区在内的北方地区降水异常偏强，并且这种异常特征在秋季前期(9月至10月上旬)非常明显，而秋季后期北方地区强降水和南方高温都明显减弱，秋季气候异常表现出明显的季节内变化。下文将首先针对大气环流进行分析，揭示导致上述气候异常及季内变率的环流成因，再分析海温这一外强迫因子的可能影响。
3.1 大气环流异常特征2021年9月1日至10月10日：欧亚大陆上空位势高度距平自北向南呈现“高低高”型分布，自西向东呈“西低东高”型分布，从巴尔喀什湖至贝加尔湖存在宽广低槽区，而东亚上空为高压脊控制，有利于冷空气的向南扩散(图 4a)；同时，副高在这一时期总体呈现面积偏大，强度偏强，西伸脊点偏西，特别是脊线异常偏北的特点(为1961年以来同期最偏北的年份)，这样的特征有利于引导低纬水汽向北输送(图 5)。这与前人工作中指出的有利华西秋雨偏强的环流模式，即贝加尔湖—巴尔喀什湖地区低压槽偏强造成冷空气的分裂东移，同时配合偏强西伸的副高外围暖湿气流有利于秋雨偏强(鲍媛媛等，2003；王遵娅和丁一汇，2008；袁旭和刘宣飞，2013；Zhi et al, 2020)相匹配，因此环流因素是导致2021年秋季华西地区降水偏强的直接因素。同一时段，850 hPa矢量风距平场显示(图 4b)，日本海以西存在的异常反气旋环流底部偏南/东南气流可引导来自东北亚及日本海上的冷湿气流向我国东北、华北、黄淮等地输送，副高外围的东南引导气流与来自孟加拉湾和南海北上的西南气流交汇于西南南部至华西秋雨地区并继续向北输送，并最终与上述东北亚—日本海冷湿气流在长江以北地区会合，使得该地区成为水汽通量异常辐合区(图 4c)，造成华北、东北、黄淮、江汉、西南东北部、西北东南部等地降水显著偏多；同时副高控制了江淮—江南地区，使得异常反气旋控制了长江以南大部分地区，盛行的下沉气流使得水汽辐散(图 4c)，降水偏少、气温偏高。
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图 4 2021年9月1日至10月10日平均大气环流距平场(a)500 hPa位势高度距平场(黑点为通过0.10显著性水平检验区域)，(b)850 hPa距平风场，(c)对流层整层积分水汽通量距平(箭矢，单位：kg·s-1·m-1)及水汽输送通量散度距平场(填色，单位：10-5 kg·s-1·m-2) Fig. 4 Averaged atmospheric circulation anomalies from 1 September to 10 October 2021 (a) 500 hPa geopotential anomalies (black dotted area has passed the significance test at 0.10 level), (b) 850 hPa wind anomalies, (c) anomalies of moisture flux integrated from 1 000 hPa to 300 hPa (vector, unit: kg·s-1·m-1) and its divergence (colored, unit: 10-5 kg·s-1·m-2) |
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图 5 2021年秋季副高特征指数序列(a)副高面积，(b)副高强度，(c)脊线位置 Fig. 5 Time series of WPSH indices in autumn 2021 (a) area, (b) intensity, (c) ridge line |
MJO(Madden-Julian oscillation)是热带大气季节内变率(intraseasonal variability, ISV)的主要模态(Madden and Julian, 1971；1972)，其主要表现为对流活动从热带西印度洋的向东传播，并具有缓慢东传和北传的特征(Chen and Wang, 2018)。目前，关于MJO对我国降水的研究多集中在西南、华南、长江中下游等南方地区，研究时段多为夏冬两季(Zhang et al, 2009；李崇银等，2013；Yao et al, 2015；袁媛等，2017；吴捷等，2018)。而秋季MJO活动对我国降水影响的研究相对较少。
从监测实况来看(图 6a)：2021年9月至10月上旬，MJO主要位于第3~5位相(对流中心位于东印度洋-海洋性大陆)，并且在9月10—20日，以及9月26日至10月10日出现明显活跃阶段。这两个时段与前文提到的几次北方地区发生强降水过程的时间基本吻合。本文计算了1981—2021年逐年秋季MJO位于第3~5位相的日数，发现2021年的日数(40 d)较常年同期(19.2 d)偏多1倍以上，居历史排名第三多(仅次于2020年的42 d和2009年的41 d)(图 6b)；进一步地，将这41年秋季MJO位于第3~5位相的日数超过常年平均值1倍标准的年份作为异常偏多年，并将其9月至10月上旬的降水和低层风场(850 hPa)进行合成分析，结果表明：秋季，当MJO位于第3~5位相的日数较多时，我国长江以北地区降水总体偏多，特别是黄淮、华北、东北等地降水偏多显著(图 6c)；而同期低层风场显示低纬有两支水汽输送通道，分别是经孟加拉湾北上的西南气流，以及由南海—西太平洋异常气旋输送的东南气流，二者交汇后持续向长江以北地区输送，为上述地区的降水带来有利条件。这也说明2021年秋季MJO位于第3~5位相的日数异常偏多可能是有利于北方降水偏多的因素之一。但MJO影响北方地区秋季降水的具体影响机制还有待将来深入探讨。
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图 6 2021年9月1日至10月15日MJO位相监测(a)，1981—2021年秋季MJO位于第3~5位相的日数距平序列(b)，秋季MJO位于第3~5位相的日数异常偏多年的9月至10月上旬降水距平百分率(c)，及偏多年合成的9月1日至10月10日850 hPa距平风场合成(d) Fig. 6 MJO phase space from 1 Septemer to 15 October 2021 (a), time series of days number anomaly of MJO in 3rd to 5th phases in autumns of 1981-2021 (b), precipitation anomaly percentage from September to early October in those years with more days of MJO in the 3rd to 5th phases in autumn (c), 850 hPa wind anomaly fields (d) |
2020年8月开始的拉尼娜事件于2021年3月结束后，赤道中东太平洋海温缓慢回升但仍保持中性偏冷状态，2021年7月之后加强向偏冷状态发展，8—10月的3个月Niño3.4区滑动平均值为-0.52℃，根据Ren et al(2018)，赤道中东太平洋海温已再次进入拉尼娜状态，热带大气也表现出对中东太平洋冷海温状态的响应，南方涛动指数(SOI)自6月以来持续保持在较强正位相(图 7a)。从2021年秋季海表温度距平的空间分布可见(图 7b)，2021年9—11月，沿赤道及其以南的热带中东太平洋大部海表温度较常年同期偏低0.5℃或以上，南美沿岸及东太平洋部分海区的海温较常年同期偏低1~1.5℃；而日界线以西的赤道太平洋海温较常年同期偏高0.5℃或以上；赤道太平洋海温“西暖东冷”的分布体现出典型的拉尼娜事件特征。
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图 7 2019—2021年Niño3.4指数和SOI指数(a), 2021年秋季海表温度距平(b) Fig. 7 Monthly Niño3.4 index and SOI index during 2019-2021 (a), the average SST anomaly in autumn 2021 (b) |
作为在热带气候系统中季节到年际变化的主导模态，厄尔尼诺-南方涛动(简称ENSO)对全球天气有着重大影响(Glantz，2001)。对我国秋季气候而言，热带太平洋的海温状况是重要外强迫因子之一(谌芸和施能，2003；刘宣飞和袁慧珍，2006；顾薇等，2012；柳艳菊等，2013；何珊珊等，2015；竺夏英和宋文玲，2017；支蓉等，2018；赵俊虎和王永光，2019；孙林海和王永光，2020；杨明珠和陈丽娟，2021)。总体而言，在拉尼娜年的秋季，副高位置偏北、巴尔喀什湖附近容易低槽活跃，我国降水易出现“北多南少”的异常分布特征。
2021年秋季赤道中东太平洋海温的一个显著特点是处于双峰型拉尼娜次年，即连续两年都发生了拉尼娜事件的第二年。选取1981年以来同样为双峰型拉尼娜次年的秋季(1984、1999、2000、2011和2017年)降水及环流进行合成，结果表明：在双峰型拉尼娜次年秋季，亚洲中高纬地区环流呈现“西低东高”型分布，巴尔喀什湖至贝加尔湖以西为异常低槽区，副高异常偏强、偏西、偏北(图 8a)；低层风场上，中心位于渤海上空的异常反气旋环流西侧的异常偏东/东南气流将海洋上的水汽向华北、黄淮、江淮、西北地区东部等地区输送，并与低纬北上的暖湿气流交汇于长江以北(图 8b)；最终导致这些地区降水的异常偏多(图 8c)。这些环流特征在2021年的环流场(图 4)中都有较明显的体现，进一步说明双峰型拉尼娜事件次年赤道中东太平洋冷海温对于2021年秋季气候异常起到了比较明显的作用。
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图 8 海温相似年秋季合成分析(a)500 hPa位势高度距平场(黑点为通过0.10显著性水平检验区域)，(b)850 hPa距平风场分布，(c)降水量距平百分率 Fig. 8 Composite analysis of SST distribution in autumn over similar years of "double-dip" La Niña (a) 500 hPa geopotential height (Black dotted area has passed the significance test at 0.10 level), (b) 850 hPa wind anomaly fields, (c) precipitation anomaly percentage |
本文结合台站观测资料、再分析资料和海温资料，详细揭示了2021年秋季我国气候异常的主要特征，在此基础上分析了造成该异常的环流特征和外强迫信号，结论如下：
(1) 2021年秋季，我国降水呈现“北多南少”的分布特征，华北和西北地区降水均为1961年以来历史同期最多，东北为1961年以来第二多。华西秋雨开始偏早、结束偏晚、秋雨量显著偏多，其中华西秋雨北区雨量是1961年以来最多，南区降水量也较常年偏多近1倍。同时，南方地区总体表现出“温高雨少”的特征，高温日数为1961年以来同期最多，华南等地区阶段性气象干旱明显。
(2) 大气环流和水汽输送异常是造成2021年我国秋季前期(9月至10月上旬)北方地区降水异常偏多的直接原因。在对流层中上层(500 hPa)，欧亚中高纬总体呈现“两脊一槽”的环流特征，中纬度在贝加尔湖至巴尔喀什湖地区存在显著的低槽区，低纬度地区副高偏强偏西、脊线位置在秋季前期异常偏北，有利于西北太平洋上的水汽向北方地区输送；低层风场上(850 hPa)，日本海以西存在的异常反气旋环流引导来自东北亚及日本海上的冷湿气流向我国黄淮以北地区输送，并与来自孟加拉湾和南海北上的西南气流在长江以北地区会合，使得北方成为水汽通量异常辐合区，从而造成我国北方地区降水异常偏多。另外，MJO在秋季前期位于第3~5位相也有利于北方地区降水的偏多。
(3) 2021年春季上一次拉尼娜事件结束之后，秋季赤道中东太平洋冷水再次加强发展并进入拉尼娜状态，使得2021年秋季处于双峰型拉尼娜次年。已有研究和本文的合成分析均显示，双峰型拉尼娜事件次年的赤道中东太平洋冷水效应有利于副高位置偏北、巴尔喀什湖附近低槽活跃，从而有利于更多的水汽在我国北方地区辐合，导致我国降水出现“北多南少”的分布特征。2021年秋季东亚大气环流和我国降水也表现出类似的特征，说明双峰型拉尼娜事件对于我国气候异常产生了较为明显的影响。
值得注意的是，2021年秋季东亚地区大气环流和我国气候异常都表现出非常明显的季节内变化特征。副高在秋季前期(9月1日至10月10日)持续偏北，后期(10月11日至11月30日)则主要表现出偏南的特征；相应的，北方地区的强降水过程和南方地区的高温天气过程主要也都出现在秋季前期。对于这种季节内变化特征，持续性较好的海温异常显然是无法解释的，这也说明2021年秋季气候异常一定还受到其他因子的影响，是多因子综合作用的结果。比如，前文已经提到秋季的这种季节内变化特征可能与MJO所处的位相有着较为紧密的联系。但有关MJO及其他的潜在因子对2021年秋季气候异常的影响仍有待于进一步的深入研究。
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